Cosmologia do S´eculo XX:
Aspectos hist´oricos
Lucas Guimar˜aes Barros
Outubro/2014
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1 Introdu¸c˜ao
2 Cosmologia observacional at´e 1929
3 Cosmologia entre 1930 e 1939
4 Cosmologia ap´os 1939
5 Cosmolog...
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Introdu¸c˜ao
A revolu¸c˜ao newtoniana havia resolvido o “quebra-cabe¸ca” dos planetas. V´arias descobertas
foram realizada...
Introdu¸c˜ao
A revolu¸c˜ao newtoniana havia resolvido o “quebra-cabe¸ca” dos planetas. V´arias descobertas
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Cosmologia observacional at´e 1929
As cosmologias primeiras da Era Moderna eram cosmologias especulativas, que careciam
de...
Cosmologia observacional at´e 1929
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Cosmologia observacional at´e 1929
As cosmologias primeiras da Era Moderna eram cosmologias especulativas, que careciam
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Cosmologia observacional at´e 1929
A suposi¸c˜ao de Herschel foi corrigida por John Michell - que projetou o experimento d...
Cosmologia observacional at´e 1929
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Cosmologia observacional at´e 1929
A suposi¸c˜ao de Herschel foi corrigida por John Michell - que projetou o experimento d...
Cosmologia observacional at´e 1929
Figura: Telesc´opio constru´ıdo por Lord Rosse.
Fonte: http://amazing-space.stsci.edu/
...
Cosmologia observacional at´e 1929
Figura: Nebulosa M51, ilustrada por Lord
Rosse. Fonte: http://amazing-space.stsci.edu/
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Cosmologia observacional at´e 1929
Figura: Mount Wilson Observatory. Fonte:
http://www.mtwilson.edu/
No final do s´eculo XI...
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2 Cosmologia observacional at´e 1929
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Cosmologia entre 1930 e 1939
Figura: Nikolai Lobachevsky (1792 - 1856).
Fonte: http://upload.wikimedia.org/
Trabalhando in...
Cosmologia entre 1930 e 1939
Figura: Nikolai Lobachevsky (1792 - 1856).
Fonte: http://upload.wikimedia.org/
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Cosmologia entre 1930 e 1939
Figura: Albert Einstein (1879 - 1955). Fonte:
http://en.wikipedia.org/
O caminho tra¸cado por...
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Figura: Albert Einstein (1879 - 1955). Fonte:
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Figura: Albert Einstein (1879 - 1955). Fonte:
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Cosmologia entre 1930 e 1939
Em meados de 1912, Einstein percebeu que necessitava de uma geometria n˜ao-euclidiana.
Consul...
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Em meados de 1912, Einstein percebeu que necessitava de uma geometria n˜ao-euclidiana.
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Cosmologia entre 1930 e 1939
Um dos objetivos de Einstein era incorporar na estrutura geral da relatividade o que ele
cham...
Cosmologia entre 1930 e 1939
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Cosmologia entre 1930 e 1939
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Cosmologia entre 1930 e 1939
Equa¸c˜ao de expans˜ao
A equa¸c˜ao que descreve a expans˜ao torna-se:
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Cosmologia entre 1930 e 1939
Equa¸c˜ao de expans˜ao
A equa¸c˜ao que descreve a expans˜ao torna-se:
d2R
dt2
= −
4πGρ0
3R2
+...
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Equa¸c˜ao de expans˜ao
A equa¸c˜ao que descreve a expans˜ao torna-se:
d2R
dt2
= −
4πGρ0
3R2
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Cosmologia entre 1930 e 1939
Quase que imediatamente ap´os a publica¸c˜ao de Einstein, de Sitter, em 1917, mostrou que
um ...
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Quase que imediatamente ap´os a publica¸c˜ao de Einstein, de Sitter, em 1917, mostrou que
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Quase que imediatamente ap´os a publica¸c˜ao de Einstein, de Sitter, em 1917, mostrou que
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Cosmologia entre 1930 e 1939
Hubble
Os resultados obtidos por Hubble mostraram pela primeira vez uma correla¸c˜ao entre a ...
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Hubble
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Hubble
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Cosmologia entre 1930 e 1939
Figura: Gr´afico da Lei de Hubble. Fonte:
http://www.das.inpe.br/
O valor atual da constante d...
Cosmologia entre 1930 e 1939
As descobertas como as de Hubble mudaram radicalmente a vis˜ao que os cientistas tinham
do Un...
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Mat´eria escura
A evidˆencia para a mat´eria escura n˜ao demorou a chegar. Em 1933, Fritz Zwicky fez
os primeiros estudos ...
Mat´eria escura
A evidˆencia para a mat´eria escura n˜ao demorou a chegar. Em 1933, Fritz Zwicky fez
os primeiros estudos ...
Mat´eria escura
A evidˆencia para a mat´eria escura n˜ao demorou a chegar. Em 1933, Fritz Zwicky fez
os primeiros estudos ...
Mat´eria escura
A evidˆencia para a mat´eria escura n˜ao demorou a chegar. Em 1933, Fritz Zwicky fez
os primeiros estudos ...
A idade do Universo e os modelos de Eddington-Lemaˆıtre
A ren´uncia de Einstein da constante cosmol´ogica Λ resultou em um...
A idade do Universo e os modelos de Eddington-Lemaˆıtre
Figura: Arthur Eddington e Georges Lemaˆıtre
Entre 1930/31, Edding...
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2 Cosmologia observacional at´e 1929
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Gamow e o Big-Bang
Em 1946, George Gamow descobriu que a escala de tempo da expans˜ao inicial do Universo
foi, de fato, de...
Gamow e o Big-Bang
Em 1946, George Gamow descobriu que a escala de tempo da expans˜ao inicial do Universo
foi, de fato, de...
Gamow e o Big-Bang
Em 1946, George Gamow descobriu que a escala de tempo da expans˜ao inicial do Universo
foi, de fato, de...
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foi, de fato, de...
Gamow e o Big-Bang
Em 1950, Hayashi destacou que, no in´ıcio do Universo, as temperaturas eram dez vezes
maiores do que aq...
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Em 1950, Hayashi destacou que, no in´ıcio do Universo, as temperaturas eram dez vezes
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Cosmologia do estado estacion´ario
Foi desenvolvida em 1948 por H. Bondi, Thomas Gold e Fred Hoyle. Eles estenderam o
prin...
Cosmologia do estado estacion´ario
Foi desenvolvida em 1948 por H. Bondi, Thomas Gold e Fred Hoyle. Eles estenderam o
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Cosmologia do estado estacion´ario
Foi desenvolvida em 1948 por H. Bondi, Thomas Gold e Fred Hoyle. Eles estenderam o
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Foi desenvolvida em 1948 por H. Bondi, Thomas Gold e Fred Hoyle. Eles estenderam o
prin...
O Big Bang
Fase hegemˆonica do Big Bang
Embora a ideia de que o Universo est´a em expans˜ao fosse bem aceita desde a obser...
O Big Bang
Fase hegemˆonica do Big Bang
Embora a ideia de que o Universo est´a em expans˜ao fosse bem aceita desde a obser...
O Big Bang
Figura: Ilustra¸c˜ao dos efeitos ocorridos no Universo ap´os o Big Bang. Fonte: Astronomy Brasil
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A radia¸c˜ao c´osmica de fundo - CMB
Figura: Fonte: http://www.universetoday.com
Em 1964, dois radioastrˆonomos americanos...
A radia¸c˜ao c´osmica de fundo - CMB
Figura: Einstein e o padre Lemaˆıtre. Fonte:
http://www.evolutionnews.org/
Einstein s...
A radia¸c˜ao c´osmica de fundo - CMB
Figura: Einstein e o padre Lemaˆıtre. Fonte:
http://www.evolutionnews.org/
Para grand...
O Big Bang
Embora o modelo do Big Bang tenha sido recebido com grande aceita¸c˜ao na comunidade
cient´ıfica, ele enfrenta d...
O Big Bang
Embora o modelo do Big Bang tenha sido recebido com grande aceita¸c˜ao na comunidade
cient´ıfica, ele enfrenta d...
Cosmologia moderna
Na f´ısica de part´ıculas, at´e o in´ıcio do s´eculo XX, apenas duas part´ıculas atˆomicas eram
conheci...
Cosmologia moderna
Na f´ısica de part´ıculas, at´e o in´ıcio do s´eculo XX, apenas duas part´ıculas atˆomicas eram
conheci...
Referˆencias
1 HORVATH, J. et al. Cosmologia F´ısica: do micro ao macro cosmos e vice-versa. S˜ao
Paulo: Editora Livraria ...
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Cosmologia do século XX: Aspectos históricos

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Breve histórico do desenvolvimento da Cosmologia Moderna, no século XX.

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Cosmologia do século XX: Aspectos históricos

  1. 1. Cosmologia do S´eculo XX: Aspectos hist´oricos Lucas Guimar˜aes Barros Outubro/2014 1 / 36
  2. 2. Menu 1 Introdu¸c˜ao 2 Cosmologia observacional at´e 1929 3 Cosmologia entre 1930 e 1939 4 Cosmologia ap´os 1939 5 Cosmologia p´os-guerra at´e 1970 2 / 36
  3. 3. Menu 1 Introdu¸c˜ao 2 Cosmologia observacional at´e 1929 3 Cosmologia entre 1930 e 1939 4 Cosmologia ap´os 1939 5 Cosmologia p´os-guerra at´e 1970 3 / 36
  4. 4. Introdu¸c˜ao A revolu¸c˜ao newtoniana havia resolvido o “quebra-cabe¸ca” dos planetas. V´arias descobertas foram realizadas posteriormente. Como exemplo, podemos mencionar a descoberta de Netuno em 1845, onde a Lei da Gravita¸c˜ao Universal foi utilizada para inferir a existˆencia de mat´eria onde n˜ao se conseguia observar. 4 / 36
  5. 5. Introdu¸c˜ao A revolu¸c˜ao newtoniana havia resolvido o “quebra-cabe¸ca” dos planetas. V´arias descobertas foram realizadas posteriormente. Como exemplo, podemos mencionar a descoberta de Netuno em 1845, onde a Lei da Gravita¸c˜ao Universal foi utilizada para inferir a existˆencia de mat´eria onde n˜ao se conseguia observar. A concep¸c˜ao de Universo at´e ent˜ao vigente (in´ıcio do s´eculo XIX) era aquela que afirmava que as estrelas estavam distribu´ıdas de maneira uniforme no firmamento. O conceito de “Universo-ilha”, proposto por I. Kant, levou quase dois s´eculos para adquirir fundamento observacional (ex.: cat´alogo de objetos difusos de Messier). 4 / 36
  6. 6. Menu 1 Introdu¸c˜ao 2 Cosmologia observacional at´e 1929 3 Cosmologia entre 1930 e 1939 4 Cosmologia ap´os 1939 5 Cosmologia p´os-guerra at´e 1970 5 / 36
  7. 7. Cosmologia observacional at´e 1929 As cosmologias primeiras da Era Moderna eram cosmologias especulativas, que careciam de validade observacional. 6 / 36
  8. 8. Cosmologia observacional at´e 1929 As cosmologias primeiras da Era Moderna eram cosmologias especulativas, que careciam de validade observacional. Isso come¸cou a mudar em meados dos anos 1830, com as primeiras medidas de paralaxe estelar obtidas por F. Bessel, F. G. W. Struve e T. Henderson. 6 / 36
  9. 9. Cosmologia observacional at´e 1929 As cosmologias primeiras da Era Moderna eram cosmologias especulativas, que careciam de validade observacional. Isso come¸cou a mudar em meados dos anos 1830, com as primeiras medidas de paralaxe estelar obtidas por F. Bessel, F. G. W. Struve e T. Henderson. As primeiras estimativas da escala e da estrutura do Universo foram feitas por William Herschel no final do s´eculo XVIII. O modelo de Herschel foi baseado na contagem de estrelas e forneceu a primeira evidˆencia quantitativa para a teoria “Universo-ilha”. Al´em disso, Herschel assumiu que todas as estrelas tinham a mesma magnitude absoluta. 6 / 36
  10. 10. Cosmologia observacional at´e 1929 A suposi¸c˜ao de Herschel foi corrigida por John Michell - que projetou o experimento de Cavendish em 1767. 7 / 36
  11. 11. Cosmologia observacional at´e 1929 A suposi¸c˜ao de Herschel foi corrigida por John Michell - que projetou o experimento de Cavendish em 1767. Embora tenha discordado de Michell inicialmente, Herschel fez novas medidas com magni- tudes de sistemas bin´arios e, em 1802, fora for¸cado pelos dados a concordar com Michell. 7 / 36
  12. 12. Cosmologia observacional at´e 1929 A suposi¸c˜ao de Herschel foi corrigida por John Michell - que projetou o experimento de Cavendish em 1767. Embora tenha discordado de Michell inicialmente, Herschel fez novas medidas com magni- tudes de sistemas bin´arios e, em 1802, fora for¸cado pelos dados a concordar com Michell. O modelo de gal´axia proposto por Herschel, no entanto, n˜ao foi adiante por alguns fatores. Dentre eles, a limita¸c˜ao dos instrumentos utilizados, especialmente o telesc´opio refrator de 40 polegadas. 7 / 36
  13. 13. Cosmologia observacional at´e 1929 Figura: Telesc´opio constru´ıdo por Lord Rosse. Fonte: http://amazing-space.stsci.edu/ Ao longo do s´eculo XIX v´arios telesc´opios foram constru´ıdos, dentre eles, o telesc´opio refletor de 72 polegadas constru´ıdo por William Parsons (o conde Rosse), na Irlanda, em 1845. 8 / 36
  14. 14. Cosmologia observacional at´e 1929 Figura: Nebulosa M51, ilustrada por Lord Rosse. Fonte: http://amazing-space.stsci.edu/ Com esse instrumento, Lord Rosse pˆode observar nebulosas e estrelas, descobrindo a estrutura es- piral das gal´axias. 9 / 36
  15. 15. Cosmologia observacional at´e 1929 Figura: Mount Wilson Observatory. Fonte: http://www.mtwilson.edu/ No final do s´eculo XIX, muitas tecnologias foram desenvolvidas com o objetivo de aperfei¸coar a ob- serva¸c˜ao dos astros. Imagens cada vez melho- res de gal´axias e nebulosas eram obtidas. Como exemplo, temos o telesc´opio Hooker (figura ao lago) de 100 polegadas, constru´ıdo em 1917. Ho- oker desempenhou um papel importante na re- solu¸c˜ao do que ficou conhecida como “a grande controv´ersia”, que dizia a respeito de quest˜oes re- lacionadas ao tamanho da nossa gal´axia. Com o aux´ılio do Hooker, em 1922, foram descobertas estrelas vari´aveis em nebulosas espirais, que le- varam posteriormente `a descoberta de Hubble de vari´aveis cefeidas em M31. 10 / 36
  16. 16. Menu 1 Introdu¸c˜ao 2 Cosmologia observacional at´e 1929 3 Cosmologia entre 1930 e 1939 4 Cosmologia ap´os 1939 5 Cosmologia p´os-guerra at´e 1970 11 / 36
  17. 17. Cosmologia entre 1930 e 1939 Figura: Nikolai Lobachevsky (1792 - 1856). Fonte: http://upload.wikimedia.org/ Trabalhando independentemente, N. Lobachevsky resolveu o problema de geometrias que tinham vi- olado o quinto postulado de Euclides. A geome- tria desenvolvida por Lobachevsky veio a ser co- nhecida como Geometria Hiperb´olica. Em On the Principles of Geometry, trabalhou com o efeito de paralaxe estelar em geometria hiperb´olica, che- gando ao resultado: 12 / 36
  18. 18. Cosmologia entre 1930 e 1939 Figura: Nikolai Lobachevsky (1792 - 1856). Fonte: http://upload.wikimedia.org/ Trabalhando independentemente, N. Lobachevsky resolveu o problema de geometrias que tinham vi- olado o quinto postulado de Euclides. A geome- tria desenvolvida por Lobachevsky veio a ser co- nhecida como Geometria Hiperb´olica. Em On the Principles of Geometry, trabalhou com o efeito de paralaxe estelar em geometria hiperb´olica, che- gando ao resultado: θ = arctan a R (1) 12 / 36
  19. 19. Cosmologia entre 1930 e 1939 Figura: Albert Einstein (1879 - 1955). Fonte: http://en.wikipedia.org/ O caminho tra¸cado por Einstein na Relatividade Geral foi longo e tortuoso. Em sua busca por uma teoria relativista consistente para com a gra- vidade, trˆes ideias foram importantes: 13 / 36
  20. 20. Cosmologia entre 1930 e 1939 Figura: Albert Einstein (1879 - 1955). Fonte: http://en.wikipedia.org/ O caminho tra¸cado por Einstein na Relatividade Geral foi longo e tortuoso. Em sua busca por uma teoria relativista consistente para com a gra- vidade, trˆes ideias foram importantes: 1 A influˆencia da gravidade na luz. 13 / 36
  21. 21. Cosmologia entre 1930 e 1939 Figura: Albert Einstein (1879 - 1955). Fonte: http://en.wikipedia.org/ O caminho tra¸cado por Einstein na Relatividade Geral foi longo e tortuoso. Em sua busca por uma teoria relativista consistente para com a gra- vidade, trˆes ideias foram importantes: 1 A influˆencia da gravidade na luz. 2 O Princ´ıpio da Equivalˆencia. 13 / 36
  22. 22. Cosmologia entre 1930 e 1939 Figura: Albert Einstein (1879 - 1955). Fonte: http://en.wikipedia.org/ O caminho tra¸cado por Einstein na Relatividade Geral foi longo e tortuoso. Em sua busca por uma teoria relativista consistente para com a gra- vidade, trˆes ideias foram importantes: 1 A influˆencia da gravidade na luz. 2 O Princ´ıpio da Equivalˆencia. 3 O conceito de espa¸co-tempo de Riemann. 13 / 36
  23. 23. Cosmologia entre 1930 e 1939 Em meados de 1912, Einstein percebeu que necessitava de uma geometria n˜ao-euclidiana. Consultando Marcel Grossmann, seu antigo amigo de escola, sobre formas gerais de trans- forma¸c˜ao entre sistemas de referˆencia para m´etricas de forma ds2 = gµνdxµdxν. 14 / 36
  24. 24. Cosmologia entre 1930 e 1939 Em meados de 1912, Einstein percebeu que necessitava de uma geometria n˜ao-euclidiana. Consultando Marcel Grossmann, seu antigo amigo de escola, sobre formas gerais de trans- forma¸c˜ao entre sistemas de referˆencia para m´etricas de forma ds2 = gµνdxµdxν. A resposta foi encontrada na geometria Riemanniana. Depois anos intensos de estudos, a relatividade geral formulada em sua forma definitiva ocorreu em 1915. 14 / 36
  25. 25. Cosmologia entre 1930 e 1939 Em meados de 1912, Einstein percebeu que necessitava de uma geometria n˜ao-euclidiana. Consultando Marcel Grossmann, seu antigo amigo de escola, sobre formas gerais de trans- forma¸c˜ao entre sistemas de referˆencia para m´etricas de forma ds2 = gµνdxµdxν. A resposta foi encontrada na geometria Riemanniana. Depois anos intensos de estudos, a relatividade geral formulada em sua forma definitiva ocorreu em 1915. Em 1917, percebeu que sua teoria poderia ser utilizada para construir modelos totalmente auto-consistentes para o Universo como um todo. 14 / 36
  26. 26. Cosmologia entre 1930 e 1939 Em meados de 1912, Einstein percebeu que necessitava de uma geometria n˜ao-euclidiana. Consultando Marcel Grossmann, seu antigo amigo de escola, sobre formas gerais de trans- forma¸c˜ao entre sistemas de referˆencia para m´etricas de forma ds2 = gµνdxµdxν. A resposta foi encontrada na geometria Riemanniana. Depois anos intensos de estudos, a relatividade geral formulada em sua forma definitiva ocorreu em 1915. Em 1917, percebeu que sua teoria poderia ser utilizada para construir modelos totalmente auto-consistentes para o Universo como um todo. Obs.: ´E importante lembrarmos que, at´e esse per´ıodo, a expans˜ao do Universo ainda n˜ao tinha sido descoberta. 14 / 36
  27. 27. Cosmologia entre 1930 e 1939 Um dos objetivos de Einstein era incorporar na estrutura geral da relatividade o que ele chamou de Princ´ıpio de Mach, significando que o sistema de referˆencia inercial local deve ser determinado atrav´es da distribui¸c˜ao de mat´eria em larga escala no Universo. 15 / 36
  28. 28. Cosmologia entre 1930 e 1939 Um dos objetivos de Einstein era incorporar na estrutura geral da relatividade o que ele chamou de Princ´ıpio de Mach, significando que o sistema de referˆencia inercial local deve ser determinado atrav´es da distribui¸c˜ao de mat´eria em larga escala no Universo. No entanto, houve outro problema, enunciado primeiramente por Newton, afirmando que modelos est´aticos de universo s˜ao inst´aveis devido `a a¸c˜ao da gravidade. 15 / 36
  29. 29. Cosmologia entre 1930 e 1939 Um dos objetivos de Einstein era incorporar na estrutura geral da relatividade o que ele chamou de Princ´ıpio de Mach, significando que o sistema de referˆencia inercial local deve ser determinado atrav´es da distribui¸c˜ao de mat´eria em larga escala no Universo. No entanto, houve outro problema, enunciado primeiramente por Newton, afirmando que modelos est´aticos de universo s˜ao inst´aveis devido `a a¸c˜ao da gravidade. A fim de contornar esse problema, Einstein introduziu nas equa¸c˜oes de campo a constante cosmol´ogica Λ. 15 / 36
  30. 30. Cosmologia entre 1930 e 1939 Equa¸c˜ao de expans˜ao A equa¸c˜ao que descreve a expans˜ao torna-se: 16 / 36
  31. 31. Cosmologia entre 1930 e 1939 Equa¸c˜ao de expans˜ao A equa¸c˜ao que descreve a expans˜ao torna-se: d2R dt2 = − 4πGρ0 3R2 + 1 3 ΛR (2) 16 / 36
  32. 32. Cosmologia entre 1930 e 1939 Equa¸c˜ao de expans˜ao A equa¸c˜ao que descreve a expans˜ao torna-se: d2R dt2 = − 4πGρ0 3R2 + 1 3 ΛR (2) Nas palavras de Einstein, The inertial structure of spacetime was to be “exhaustively conditioned and determined” by the distribution of material throughout the Universe. 16 / 36
  33. 33. Cosmologia entre 1930 e 1939 Quase que imediatamente ap´os a publica¸c˜ao de Einstein, de Sitter, em 1917, mostrou que um dos objetivos de Einstein n˜ao tinham sido alcan¸cados. Ele encontrou solu¸c˜oes das equa¸c˜oes de campo de Einstein, na ausˆencia de mat´eria (ρ = 0). 17 / 36
  34. 34. Cosmologia entre 1930 e 1939 Quase que imediatamente ap´os a publica¸c˜ao de Einstein, de Sitter, em 1917, mostrou que um dos objetivos de Einstein n˜ao tinham sido alcan¸cados. Ele encontrou solu¸c˜oes das equa¸c˜oes de campo de Einstein, na ausˆencia de mat´eria (ρ = 0). Em seu artigo, de Sitter faz previs˜oes de observa¸c˜oes do desvio para o vermelho para gal´axias distantes. 17 / 36
  35. 35. Cosmologia entre 1930 e 1939 Quase que imediatamente ap´os a publica¸c˜ao de Einstein, de Sitter, em 1917, mostrou que um dos objetivos de Einstein n˜ao tinham sido alcan¸cados. Ele encontrou solu¸c˜oes das equa¸c˜oes de campo de Einstein, na ausˆencia de mat´eria (ρ = 0). Em seu artigo, de Sitter faz previs˜oes de observa¸c˜oes do desvio para o vermelho para gal´axias distantes. Tais resultados influenciar˜ao nos estudos de Edwin Hubble e seu colaborador M. Humanson. Em 1927, Hubble conferiu que, para um dado espectro, todos os desvios eram da mesma magnitude e resultavam em valores proporcionais `as distˆancias estimadas para as gal´axias emissoras. 17 / 36
  36. 36. Cosmologia entre 1930 e 1939 Hubble Os resultados obtidos por Hubble mostraram pela primeira vez uma correla¸c˜ao entre a velocidade e a distˆancia estimada `as gal´axias da forma: 18 / 36
  37. 37. Cosmologia entre 1930 e 1939 Hubble Os resultados obtidos por Hubble mostraram pela primeira vez uma correla¸c˜ao entre a velocidade e a distˆancia estimada `as gal´axias da forma: υ = H0 × D (3) 18 / 36
  38. 38. Cosmologia entre 1930 e 1939 Hubble Os resultados obtidos por Hubble mostraram pela primeira vez uma correla¸c˜ao entre a velocidade e a distˆancia estimada `as gal´axias da forma: υ = H0 × D (3) Que hoje ´e reconhecida como Lei de Hubble. 18 / 36
  39. 39. Cosmologia entre 1930 e 1939 Figura: Gr´afico da Lei de Hubble. Fonte: http://www.das.inpe.br/ O valor atual da constante de Hubble H0 ´e de 71 km/s · Mpc, cuja dimens˜ao ´e de 1/t. Logo, a par- tir dos valores medidos de D e v, ´e poss´ıvel fazer uma estimativa da idade do Universo. O impacto das observa¸c˜oes de Hubble foi enorme, e de fato inaugurou a Cosmologia moderna. Em poucos anos n˜ao tinha s´o ficado claro que habitamos um sistema auto-gravitante de ±1011 estrelas, g´as e poeira, mas tamb´em que existem outros bilh˜oes de gal´axias e diversos tipos que se afastam de n´os com velocidades gigantescas, maiores quanto maior for a distˆancia relativa. 19 / 36
  40. 40. Cosmologia entre 1930 e 1939 As descobertas como as de Hubble mudaram radicalmente a vis˜ao que os cientistas tinham do Universo. Foi preciso desenvolver toda uma nova forma de olhar e descrever este estado de coisas e resolver v´arios problemas que surgiram. 20 / 36
  41. 41. Cosmologia entre 1930 e 1939 As descobertas como as de Hubble mudaram radicalmente a vis˜ao que os cientistas tinham do Universo. Foi preciso desenvolver toda uma nova forma de olhar e descrever este estado de coisas e resolver v´arios problemas que surgiram. A descoberta da rela¸c˜ao velocidade-distˆancia para gal´axias foi interpretada como evidˆencia da expans˜ao do Universo como um todo. Restavam problemas de interpreta¸c˜ao das no¸c˜oes de tempo e distˆancia em cosmologia. (que, em 1935, fora resolvido de forma independente por Robertson e G. Walker). 20 / 36
  42. 42. Cosmologia entre 1930 e 1939 As descobertas como as de Hubble mudaram radicalmente a vis˜ao que os cientistas tinham do Universo. Foi preciso desenvolver toda uma nova forma de olhar e descrever este estado de coisas e resolver v´arios problemas que surgiram. A descoberta da rela¸c˜ao velocidade-distˆancia para gal´axias foi interpretada como evidˆencia da expans˜ao do Universo como um todo. Restavam problemas de interpreta¸c˜ao das no¸c˜oes de tempo e distˆancia em cosmologia. (que, em 1935, fora resolvido de forma independente por Robertson e G. Walker). Com a descoberta da rela¸c˜ao velocidade-distˆancia, Einstein lamentou a inclus˜ao da cons- tante cosmol´ogica nas equa¸c˜oes de campo. 20 / 36
  43. 43. Menu 1 Introdu¸c˜ao 2 Cosmologia observacional at´e 1929 3 Cosmologia entre 1930 e 1939 4 Cosmologia ap´os 1939 5 Cosmologia p´os-guerra at´e 1970 21 / 36
  44. 44. Mat´eria escura A evidˆencia para a mat´eria escura n˜ao demorou a chegar. Em 1933, Fritz Zwicky fez os primeiros estudos dinˆamicos de aglomerados ricos de gal´axias, buscando determinar a massa total do agrupamento. 22 / 36
  45. 45. Mat´eria escura A evidˆencia para a mat´eria escura n˜ao demorou a chegar. Em 1933, Fritz Zwicky fez os primeiros estudos dinˆamicos de aglomerados ricos de gal´axias, buscando determinar a massa total do agrupamento. Zwicky mediu a dispers˜ao de velocidades das gal´axias no aglomerado de Coma e encontrou que havia muito mais massa do cluster do que poderia ser atribu´ıdo `as partes vis´ıveis das gal´axias. 22 / 36
  46. 46. Mat´eria escura A evidˆencia para a mat´eria escura n˜ao demorou a chegar. Em 1933, Fritz Zwicky fez os primeiros estudos dinˆamicos de aglomerados ricos de gal´axias, buscando determinar a massa total do agrupamento. Zwicky mediu a dispers˜ao de velocidades das gal´axias no aglomerado de Coma e encontrou que havia muito mais massa do cluster do que poderia ser atribu´ıdo `as partes vis´ıveis das gal´axias. Em unidades solares, a raz˜ao entre a massa e luminosidade ´optica de uma gal´axia como a nossa ´e de cerca de 3, enquanto que para o Conjunto do coma a propor¸c˜ao encontrada foi cerca de 500. 22 / 36
  47. 47. Mat´eria escura A evidˆencia para a mat´eria escura n˜ao demorou a chegar. Em 1933, Fritz Zwicky fez os primeiros estudos dinˆamicos de aglomerados ricos de gal´axias, buscando determinar a massa total do agrupamento. Zwicky mediu a dispers˜ao de velocidades das gal´axias no aglomerado de Coma e encontrou que havia muito mais massa do cluster do que poderia ser atribu´ıdo `as partes vis´ıveis das gal´axias. Em unidades solares, a raz˜ao entre a massa e luminosidade ´optica de uma gal´axia como a nossa ´e de cerca de 3, enquanto que para o Conjunto do coma a propor¸c˜ao encontrada foi cerca de 500. Os estudos pioneiros de Zwicky foram confirmados em estudos posteriores de aglomerados ricos de gal´axias. 22 / 36
  48. 48. A idade do Universo e os modelos de Eddington-Lemaˆıtre A ren´uncia de Einstein da constante cosmol´ogica Λ resultou em um grave problema para os modelos que tiveram que supor Λ = 0. Em todo o mundo, os modelos desenvolvidos que fizeram Λ = 0, a idade do Universo encontrada era de 1/H0, o que daria aproximadamente 2 bilh˜oes de anos. Dado este conflituoso com a idade da Terra, determinada atrav´es estudos de data¸c˜ao radioativa. 23 / 36
  49. 49. A idade do Universo e os modelos de Eddington-Lemaˆıtre Figura: Arthur Eddington e Georges Lemaˆıtre Entre 1930/31, Eddington e Lemaˆıtre reconhece- ram que esse problema poderia ser solucionado se Λ fosse uma constante positiva. O efeito de uma constante cosmol´ogica positiva ´e para con- trabalan¸car a for¸ca atrativa da gravidade quando o Universo cresceu em um tamanho suficiente. Entre as solu¸c˜oes das equa¸c˜oes de Einstein, h´a casos especiais equivalentes ao Universo Est´atico de Einstein, mas em uma ´epoca primordial. Esse modelo permaneceu nesse estado para um per´ıodo arbitr´ario e longo e, em seguida, expandiu sob a influˆencia do termo cosmol´ogico. No modelo de Eddington-Lemaˆıtre, a idade do Universo poderia ser arbitrariamente longa. 24 / 36
  50. 50. Menu 1 Introdu¸c˜ao 2 Cosmologia observacional at´e 1929 3 Cosmologia entre 1930 e 1939 4 Cosmologia ap´os 1939 5 Cosmologia p´os-guerra at´e 1970 25 / 36
  51. 51. Gamow e o Big-Bang Em 1946, George Gamow descobriu que a escala de tempo da expans˜ao inicial do Universo foi, de fato, demasiado curta para estabelecer uma abundˆancia de equil´ıbrio dos elementos qu´ımicos. 26 / 36
  52. 52. Gamow e o Big-Bang Em 1946, George Gamow descobriu que a escala de tempo da expans˜ao inicial do Universo foi, de fato, demasiado curta para estabelecer uma abundˆancia de equil´ıbrio dos elementos qu´ımicos. Esta teoria, ap´os diversos estudos com nˆeutrons, foi publicada em 1948 por Alpher, Bethe e Gamow. No artigo, chama-se a aten¸c˜ao para a necessidade de uma fase quente, densa no in´ıcio do Universo, onde os elementos foram sintetizados cosmologicamente. 26 / 36
  53. 53. Gamow e o Big-Bang Em 1946, George Gamow descobriu que a escala de tempo da expans˜ao inicial do Universo foi, de fato, demasiado curta para estabelecer uma abundˆancia de equil´ıbrio dos elementos qu´ımicos. Esta teoria, ap´os diversos estudos com nˆeutrons, foi publicada em 1948 por Alpher, Bethe e Gamow. No artigo, chama-se a aten¸c˜ao para a necessidade de uma fase quente, densa no in´ıcio do Universo, onde os elementos foram sintetizados cosmologicamente. No mesmo ano, Alpher e R. Herman realizaram c´alculos melhorados, incluindo a expans˜ao c´osmica nos c´alculos. Como resultado, constataram que a temperaturas muito altas na fase inicial, o Universo era dominado por radia¸c˜ao ao inv´es de mat´eria. 26 / 36
  54. 54. Gamow e o Big-Bang Em 1946, George Gamow descobriu que a escala de tempo da expans˜ao inicial do Universo foi, de fato, demasiado curta para estabelecer uma abundˆancia de equil´ıbrio dos elementos qu´ımicos. Esta teoria, ap´os diversos estudos com nˆeutrons, foi publicada em 1948 por Alpher, Bethe e Gamow. No artigo, chama-se a aten¸c˜ao para a necessidade de uma fase quente, densa no in´ıcio do Universo, onde os elementos foram sintetizados cosmologicamente. No mesmo ano, Alpher e R. Herman realizaram c´alculos melhorados, incluindo a expans˜ao c´osmica nos c´alculos. Como resultado, constataram que a temperaturas muito altas na fase inicial, o Universo era dominado por radia¸c˜ao ao inv´es de mat´eria. Com isso, resolveram o problema da temperatura do Universo, estimando a temperatura de fundo igual a 5K. 26 / 36
  55. 55. Gamow e o Big-Bang Em 1950, Hayashi destacou que, no in´ıcio do Universo, as temperaturas eram dez vezes maiores do que aquelas em que ocorreu a nucleoss´ıntese. 27 / 36
  56. 56. Gamow e o Big-Bang Em 1950, Hayashi destacou que, no in´ıcio do Universo, as temperaturas eram dez vezes maiores do que aquelas em que ocorreu a nucleoss´ıntese. Os nˆeutrons e os pr´otons foram levados para o equil´ıbrio t´ermico pelas intera¸c˜oes fracas. 27 / 36
  57. 57. Gamow e o Big-Bang Em 1950, Hayashi destacou que, no in´ıcio do Universo, as temperaturas eram dez vezes maiores do que aquelas em que ocorreu a nucleoss´ıntese. Os nˆeutrons e os pr´otons foram levados para o equil´ıbrio t´ermico pelas intera¸c˜oes fracas. A partir desses e de outros estudos realizados com a nucleoss´ıntese de elementos qu´ımicos, refor¸cou-se a ideia de que o Universo est´a se expandindo. 27 / 36
  58. 58. Cosmologia do estado estacion´ario Foi desenvolvida em 1948 por H. Bondi, Thomas Gold e Fred Hoyle. Eles estenderam o princ´ıpio cosmol´ogico, segundo o qual o Universo apresenta a mesma imagem em grande escala para todos os observadores fundamentais em todos os momentos. 28 / 36
  59. 59. Cosmologia do estado estacion´ario Foi desenvolvida em 1948 por H. Bondi, Thomas Gold e Fred Hoyle. Eles estenderam o princ´ıpio cosmol´ogico, segundo o qual o Universo apresenta a mesma imagem em grande escala para todos os observadores fundamentais em todos os momentos. Com isso, a constante de Hubble torna-se uma constante fundamental da natureza. 28 / 36
  60. 60. Cosmologia do estado estacion´ario Foi desenvolvida em 1948 por H. Bondi, Thomas Gold e Fred Hoyle. Eles estenderam o princ´ıpio cosmol´ogico, segundo o qual o Universo apresenta a mesma imagem em grande escala para todos os observadores fundamentais em todos os momentos. Com isso, a constante de Hubble torna-se uma constante fundamental da natureza. Uma consequˆencia dessa teoria era que o Universo era infinito em idade, mas a idade dos objetos t´ıpicos observados no Universo local era de apenas 1 3H−1 0 . 28 / 36
  61. 61. Cosmologia do estado estacion´ario Foi desenvolvida em 1948 por H. Bondi, Thomas Gold e Fred Hoyle. Eles estenderam o princ´ıpio cosmol´ogico, segundo o qual o Universo apresenta a mesma imagem em grande escala para todos os observadores fundamentais em todos os momentos. Com isso, a constante de Hubble torna-se uma constante fundamental da natureza. Uma consequˆencia dessa teoria era que o Universo era infinito em idade, mas a idade dos objetos t´ıpicos observados no Universo local era de apenas 1 3H−1 0 . Foi durante um programa de r´adio no final dos anos 1940 que Fred Hoyle introduziu de maneira pejorativa o termo “Big Bang” para descrever os modelos de Friedman com origem singular. 28 / 36
  62. 62. O Big Bang Fase hegemˆonica do Big Bang Embora a ideia de que o Universo est´a em expans˜ao fosse bem aceita desde a observa¸c˜ao feita por Hubble, no final da d´ecada de 1920, foi somente na segunda metade dos anos 1960 que ela passou a ser entendida como consequˆencia natural de uma grande explos˜ao que teria ocorrido h´a cerca de poucos bilh˜oes de anos. Dois grandes acontecimentos concorreram para isso, um de natureza observacional e outro de natureza te´orica (NOVELLO, 2010, p. 21): 1 A descoberta da radia¸c˜ao c´osmica de fundo por Penzias e Wilson. 29 / 36
  63. 63. O Big Bang Fase hegemˆonica do Big Bang Embora a ideia de que o Universo est´a em expans˜ao fosse bem aceita desde a observa¸c˜ao feita por Hubble, no final da d´ecada de 1920, foi somente na segunda metade dos anos 1960 que ela passou a ser entendida como consequˆencia natural de uma grande explos˜ao que teria ocorrido h´a cerca de poucos bilh˜oes de anos. Dois grandes acontecimentos concorreram para isso, um de natureza observacional e outro de natureza te´orica (NOVELLO, 2010, p. 21): 1 A descoberta da radia¸c˜ao c´osmica de fundo por Penzias e Wilson. 2 A evolu¸c˜ao de alguns teoremas desenvolvidos por A. Friedman. 29 / 36
  64. 64. O Big Bang Figura: Ilustra¸c˜ao dos efeitos ocorridos no Universo ap´os o Big Bang. Fonte: Astronomy Brasil 30 / 36
  65. 65. A radia¸c˜ao c´osmica de fundo - CMB Figura: Fonte: http://www.universetoday.com Em 1964, dois radioastrˆonomos americanos, Arno Penzias e Robert Wilson, detectaram estranhos si- nais que, posteriormente, indicariam uma fase ini- cial extremamente quente do Universo. Utilizando a conserva¸c˜ao da energia, inferiram que a tempe- ratura de equil´ıbrio do g´as de f´otons era maior no passado. Al´em disso, houve uma evolu¸c˜ao em alguns teoremas envolvendo a evolu¸c˜ao de proces- sos descritos pela intera¸c˜ao gravitacional, levando `a intepreta¸c˜ao de que uma singularidade inicial se- ria caracter´ıstica t´ıpica do Universo (NOVELLO, 2010, p. 21-22). 31 / 36
  66. 66. A radia¸c˜ao c´osmica de fundo - CMB Figura: Einstein e o padre Lemaˆıtre. Fonte: http://www.evolutionnews.org/ Einstein se op˜oe frontalmente ao Big Bang. Em suas palavras, a teoria atual da relatividade se ba- seia na divis˜ao da realidade f´ısica em um campo m´etrico (a gravita¸c˜ao), por um lado, e o campo eletromagn´etico e a mat´eria, por outro. Na rea- lidade, o espa¸co provavelmente ter´a car´ater uni- forme, e a teoria atual somente ser´a v´alida como um caso limite . . . 32 / 36
  67. 67. A radia¸c˜ao c´osmica de fundo - CMB Figura: Einstein e o padre Lemaˆıtre. Fonte: http://www.evolutionnews.org/ Para grandes valores do campo e da densidade de mat´eria, as equa¸c˜oes do campo e at´e as pr´oprias vari´aveis que intervˆem nestas equa¸c˜oes n˜ao pos- suem significado real. N˜ao ´e poss´ıvel, assim, admitir a validade de tais equa¸c˜oes para densi- dades de campo e de mat´eria muito elevadas. Consequentemente, n˜ao se pode concluir dessas equa¸c˜oes, ao serem aplicadas ao Universo, que o in´ıcio da expans˜ao do Universo se identifique com uma singularidade no sentido matem´atico. Tudo que devemos reconhecer ´e que as equa¸c˜oes n˜ao s˜ao aplic´aveis nessas regi˜oes. 33 / 36
  68. 68. O Big Bang Embora o modelo do Big Bang tenha sido recebido com grande aceita¸c˜ao na comunidade cient´ıfica, ele enfrenta diversos problemas, tais como os dados conflitantes sobre a idade do Universo, o enigma dos quasares, a distribui¸c˜ao aparentemente assim´etria dos astros no c´eu e medidas de temperatura do c´eu obtidas em 1994. 34 / 36
  69. 69. O Big Bang Embora o modelo do Big Bang tenha sido recebido com grande aceita¸c˜ao na comunidade cient´ıfica, ele enfrenta diversos problemas, tais como os dados conflitantes sobre a idade do Universo, o enigma dos quasares, a distribui¸c˜ao aparentemente assim´etria dos astros no c´eu e medidas de temperatura do c´eu obtidas em 1994. Os dados de Halton Arp Halton Arp mostra dados emp´ıricos sobre o redshift de quasares que colocam em d´uvida a quest˜ao de suas distˆancias cosmol´ogicas. Enquanto que na teoria do Big Bang os quasares s˜ao os objetos mais distantes de n´os, situados nos confins do Universo, para Arp, o quasar pode ser a eje¸c˜ao de mat´eria de um n´ucleo gal´atico, o que explicaria os elevados redshifts de quasares associados a gal´axias (OLIVEIRA, 2006, p. 181). Por conta de seus artigos sobre essas observa¸c˜oes, Halton Arp perdeu seu emprego nos EUA. 34 / 36
  70. 70. Cosmologia moderna Na f´ısica de part´ıculas, at´e o in´ıcio do s´eculo XX, apenas duas part´ıculas atˆomicas eram conhecidas, o el´etron e o pr´oton. A partir dos anos 1950 v´arias part´ıculas subatˆomicas foram observadas. `A medida que os experimentos foram acelerando part´ıculas a energias cada vez maiores, foi se descobrindo estruturas cada vez menores. 35 / 36
  71. 71. Cosmologia moderna Na f´ısica de part´ıculas, at´e o in´ıcio do s´eculo XX, apenas duas part´ıculas atˆomicas eram conhecidas, o el´etron e o pr´oton. A partir dos anos 1950 v´arias part´ıculas subatˆomicas foram observadas. `A medida que os experimentos foram acelerando part´ıculas a energias cada vez maiores, foi se descobrindo estruturas cada vez menores. A f´ısica contemporˆanea chegou a uma grande s´ıntese do microcosmos caracterizando e classificando as part´ıculas em termos do chamado Modelo Padr˜ao, no qual quarks e l´eptons s˜ao suficientes para construir qualquer outra part´ıcula conhecida (pr´otons, nˆeutrons, etc.). A procura por uma teoria mais abrangente do mundo f´ısico ´e intensa, pois embora tudo pare¸ca “explicado”, o Modelo Padr˜ao apresenta uma s´erie de caracter´ısticas pouco satisfat´orias, e certamente n˜ao ser´a uma descri¸c˜ao completa quando energias muito grandes sejam consideradas (HORVATH et al, 2007, p. 207). 35 / 36
  72. 72. Referˆencias 1 HORVATH, J. et al. Cosmologia F´ısica: do micro ao macro cosmos e vice-versa. S˜ao Paulo: Editora Livraria da F´ısica, 2007. 2 LONGAIR, M. S. A brief History of Cosmology. Carnegie Observatories Astrophysics Series, vol. 2. Measuring and Modeling the Universe, 2004. Dispon´ıvel em: http://www.astro.caltech.edu/ george/ay21/readings/longair.pdf, acesso em: 14 out. 2014. 3 NOVELLO, M. Do Big Bang Ao Universo Eterno. Rio de Janeiro: Jorge Zahar Ed., 2010. 4 OLIVEIRA, J. H. L de. No¸c˜oes de cosmologia no Ensino M´edio: o paradigma criacionista do Big Bang e a inibi¸c˜ao de teorias rivais. Disserta¸c˜ao de mestrado. Maring´a - PR: UEM, 2006. 36 / 36

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